включение транзистора с опщей базой/эмитером/коллектором

Каскад с общим эмиттером обладает высоким усилением по напряжению и току. К недостаткам данной схемы включения можно отнести невысокое входное сопротивление каскада. К преимуществам - высокий коэффициент усиления.

 

Рассмотрим работу каскада подробнее: при подаче на базу входного напряжения - входной ток протекает через переход "база-эмиттер" транзистора, что вызывает открывание транзистора и, в следствии этого, увеличение коллекторного тока. В цепи эмиттера транзистора протекает ток, равный сумме тока базы и тока коллектора. На резисторе в цепи коллектора, при прохождении через него тока, возникает некоторое напряжение, величиной значительно превышающей входное. Таким образом происходит усиление транзистора по напряжению. Так как ток и напряжение в цепи - величины взаимосвязанные, аналогично происходит и усиление входного тока.

 

Схема с общим коллектором обладает высоким входным и низким выходным сопротивлениями. Коэффициент усиления по напряжению этой схемы всегда меньше 1. Данная схема используется для согласования каскадов, либо в случае использования источника входного сигнала с высоким входным сопротивлением. В качестве такого источника можно привести, например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон.

 

Схема включения транзистора с общей базой используется преимущественно в каскадах усилителей высоких частот. Данное включение транзистора позволяет более полно использовать частотные характеристики транзистора при минимальном уровне шумов. Что такое частотная характеристика транзистора? Это - способность транзистора усиливать высокие частоты, близкие к граничной частоте усиления, Эта величина зависит от типа транзистора. Более высокочастотный транзистор способен усиливать и более высокие частоты. С повышением рабочей частоты, коэффициент усиления транзистора понижается. Если для построения усилителя использовать, например, схему с общим эмиттером, то при некоторой (граничной) частоте каскад перестает усиливать входной сигнал. Использование этого - же транзистора, но включенного по схеме с общей базой, позволяет значительно повысить граничную частоту усиления. Каскад, собранный по схеме с общей базой, обладает низким входным и невысоким выходным сопротивлениями.

 

25.п-н переход

 

Электронно-дырочный переход - основной элемент биполярных приборов, pn - переход создают в кристалле изменением типа его проводимости, путем введения акцепторной и донорной примеси. На рис. 19 схематически показан кристалл с резким pn переходом и распределение акцепторной и донорной примеси в нем.

 

 

Рис. 19. Схема кристалла с резким pn переходом (вверху) и распределение акцепторной (Na) и донорной примеси в нем (Nd).

 

 

Предположим, что у нас имеется две изолированные полупроводниковые области p и n типов (мы можем получить их, отрезав от левого и правого конца кристалла, показанного на рис. 19). Тогда для этих областей можно построить энергетическую диаграмму, показанную в верхней части рис. 20 (она аналогична рассмотренной ранее диаграмме рис. 5). Как иллюстрирует диаграмма, материал p и n типа отличается положением уровней Ферми Fp и Fn и, соответственно, работой выхода Фp и Фn.

 

Когда образуется pn переход, между p и n областями происходит обмен электронами и дырками и энергией так, что между областями устанавливается равновесие, и характеризующий равновесное состояние уровень Ферми становится единым для всей системы, как это показано на рис. 20 б. Области, находящиеся на значительном удалении от места контакта p и n областей, не подвержены влиянию pn перехода, поэтому их должна характеризовать энергетическая диаграмма, показанная на верхнем рисунке (рис. 20а). Таким образом, условия сохранения свойств отдельных материалов и единства уровня Ферми для всей системы приводят к появлению скачка в области pn перехода. Этот скачок соответствует возникновению потенциального барьера, который препятствует переходу основных носителей в потенциальную область (дырок из p в n область и электронов из n в p область). Потенциальный барьер возникает в результате появления внутреннего электрического поля и соответствующей ему разности потенциалов Uк, которую принято называть контактной.

 

 

Т.е. контактная разность потенциалов равна разности термодинамических работ выхода или разности энергии уровней Ферми в материалах p и n типов. Чтобы рассчитать положение уровней Ферми, воспользуемся формулами для концентраций электронов (дырок) в n и p областях:

(40)

 

Поскольку концентрация основных носителей примерно равна концентрации легирующей примеси (pp0 = Na, nn0 = Nd), и произведение равновесных концентраций электронов и дырок в одной области при заданной температуре равно квадрату концентрации собственных носителей заряда (18), то из (41) получим:

(42)

 

Таким образом, потенциальный барьер в pn переходе тем выше, чем сильнее легированы p и n области.

 

Рассмотрим, какова же физическая природа явлений, приводящих к возникновению на границе между p и n областями потенциального барьера. Если бы между p и n областями не было контакта, то каждая из них была бы электронейтральна, при этом соблюдались бы следующие условия: pp = Na-, nn = Nd+. При наличии между p и n областями контакта свободные электроны будут уходить из n области в соседнюю, оставляя вблизи границы в n области нескомпенсированный заряд положительных доноров - Nd+. Свободные дырки будут уходить из p области в соседнюю, оставляя вблизи границы в p области нескомпенсированный заряд отрицательных акцепторов - Na-. Поскольку доноры и акцепторы связаны с решеткой, возникший двойной слой заряда так же встроен в решетку и не может перемещаться. При этом в области пространственного заряда (ОПЗ) возникает электрическое поле, направленное от n области к p области, препятствующее переходу основных носителей через границу областей. Чем больше переходит основных носителей, тем больше нескомпенсированный заряд в ОПЗ, тем выше энергетический барьер, препятствующий переходу. Равновесие наступает при некотором условии, которое описывается формулами (41), (42). При этом следует отметить, что основные носители из области пространственного заряда перебрасываются в соседнюю область, где они становятся неосновными. В самой же области пространственного заряда концентрация носителей мала (она близка к собственной), поскольку все попадающие в ОПЗ носители выбрасываются из этой области электрическим полем. Поэтому можно считать, что область пространственного заряда обладает проводимостью на несколько порядков меньшей, чем легированные p и n области. Поэтому в дальнейшем будем считать, что сопротивление областей вне ОПЗ на несколько порядков меньше, чем сопротивление ОПЗ и, если к полупроводниковой структуре с одним pn переходом приложено внешнее напряжение, то оно падает, в основном на ОПЗ, а в прилегающих к переходу p и n областях электрического поля практически нет.

 

Диаграммы рис. 21 иллюстрируют рассмотренные процессы. Область, в которой имеется электрическое поле (ОПЗ), на рисунке обозначена d.

 

Рис. 21. Диаграмма, поясняющая возникновение области пространственного заряда (двойного заряженного слоя) в pn переходе.

 

Внимательно проанализировав диаграмму рис. 21, можно еще раз убедиться, что направление контактного электрического поля (Еконт) таково, что оно препятствует диффузии в соседнюю область основных носителей заряда и способствует переходу неосновных. Именно эта асимметрия потенциального барьера по отношению к носителям различного типа в конечном счете и приводит к асимметрии вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода относительно полярности внешнего напряжения. При этом, при одной полярности внешнего напряжения, поле внешней батареи будет складываться с внутренним полем Еконт, увеличивая барьер, при другой вычитаться, уменьшая барьер.

 

Из формулы (42) следует, что чем сильнее легированы области pn перехода, тем больше контактная разность потенциалов. С физической точки зрения это понятно: с увеличением степени легирования p области уровень Ферми приближается к валентной зоне, с увеличением степени легирования n области уровень Ферми приближается к зоне проводимости, в то же время как следует из диаграммы рис. 20, контактная разность равна разности уровней Ферми в изолированных p и n областях. Диаграмма рис. 22 иллюстрирует зависимость контактной разности потенциалов от степени легирования областей. При увеличении степени легирования областей контактная разность в пределе стремится к ширине запрещенной зоны Eg.

 

Рис. 22. Зависимость контактной разности pn перехода от уровня легирования областей pn перехода (Si, Т=300 К)

 

Контактная разность также зависит от температуры: с увеличением температуры она уменьшается. Этот результат также понятен, если вспомнить, что с увеличением температуры увеличивается вероятность межзонного возбуждения электронов, т.е. при высоких температурах начинает доминировать собственная проводимость, а уровень Ферми в собственных полупроводниках лежит вблизи середины запрещенной зоны. Таким образом, поскольку с ростом температуры разность между уровнями Ферми в изолированных p и n областях уменьшается, то, соответственно, должна уменьшаться и контактная разность потенциалов, как это иллюстрирует рис. 23.

 

Зависимость контактной разности потенциалов pn переходов от температуры часто используют для создания датчиков температуры. По чувствительности эти датчики будут уступать датчикам, использующим температурную зависимость электропроводности полупроводников (термисторы), однако к их достоинствам можно отнести близкую к линейной зависимость контактной разности потенциалов от температуры, что значительно облегчает их калибровку.

 

26.интегральные микросхемы

 

Интегра́льная(engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2006 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.Содержание [показать]

 

 

[править]

История

 

В 1958 году двое учёных, живущих в совершенно разных местах, изобрели практически идентичную модель интегральной схемы. Один из них, Джек Килби, работал на Texas Instruments, другой, Роберт Нойс, был одним из основателей небольшой компании по производству полупроводников Fairchild Semiconductor. Обоих объединил вопрос: «Как в минимум места вместить максимум компонентов?». Транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие детали в то время размещались на платах отдельно, и учёные решили попробовать их объединить в один монолитный кристалл из полупроводникового материала. Только Килби воспользовался германием, а Нойс предпочёл кремний. В 1959 году они отдельно друг от друга получили патенты на свои изобретения — началось противостояние двух компаний, которое закончилось мирным договором и созданием совместной лицензии на производство чипов. После того как в 1961 году Fairchild Semiconductor Corporation пустила интегральные схемы в свободную продажу, их сразу стали использовать в производстве калькуляторов и компьютеров вместо отдельных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размер и увеличить производительность. Первая советская полупроводниковая микросхема была создана в 1961 г. в Таганрогском радиотехническом институте, в лаборатории Л. Н. Колесова.

 

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была разработана (создана) на основе планарной технологии разработанной в начале 1960 года в НИИ "Пульсар" коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ (Микрон). На счёт Таганрога информация очень сомнительная.

 

[править]

Уровни проектирования

Физический — методы реализации одного транзистора (или небольшой группы) в виде легированных зон на кристалле.

Электрический — принципиальная электрическая схема (транзисторы, конденсаторы, резисторы и т. п.).

Логический — логическая схема (логические инверторы, элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ и т. п.).

Схемо- и системотехнический уровень — схемо- и системотехническая схемы (триггеры, компараторы, шифраторы, дешифраторы, АЛУ и т. п.).

Топологический — топологические фотошаблоны для производства.

Программный уровень (для микроконтроллеров и микропроцессоров) — команды ассемблера для программиста.

 

В настоящее время большая часть интегральных схем разрабатывается при помощи САПР, которые позволяют автоматизировать и значительно ускорить процесс получения топологических фотошаблонов.

 

[править]

Классификация

 

[править]

Степень интеграции

 

В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (в скобках количество элементов для цифровых схем):

МИС — малая интегральная схема (до 100 элементов в кристалле);

СИС — средняя интегральная схема (до 1000 элементов в кристалле);

БИС — большая интегральная схема (до 10000 элементов в кристалле);

СБИС — сверхбольшая интегральная схема (до 1 миллиона элементов в кристалле);

УБИС — ультрабольшая интегральная схема (до 1 миллиарда элементов в кристалле);

ГБИС — гигабольшая интегральная схема (более 1 миллиарда элементов в кристалле).

 

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

 

[править]

Технология изготовления

Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия).

Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок:

толстоплёночная интегральная схема;

тонкоплёночная интегральная схема.

Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристала содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус.

 

[править]

Вид обрабатываемого сигнала

Аналоговые

Цифровые

Аналого-цифровые

 

Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

 

Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании −5,2 В: логическая единица — это −0,8…−1,03 В, а логический ноль — это −1,6…−1,75 В.

 

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение.

 

[править]

Технологии изготовления

 

[править]

Типы логики

 

Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.

Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока):

МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа;

КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП).

Микросхемы на биполярных транзисторах:

РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ);

ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе;

ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки.

ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие.

 

КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и её целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и, как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии.

 

Микросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии, являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялись при производстве вычислительной техники в тех случаях, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко.